柴油机混合气的形成与燃烧

21
(2) 挤流
在压缩过程中，当活塞 接近上止点时，气缸内的 空气被挤入活塞顶部的燃 烧室凹坑内，产生挤压涡 流，即挤流。 当活塞下行时，凹坑内
挤流
的燃烧气体又向外流到活 塞顶部外围的环型空间， 与空气进一步混合燃烧， 为逆挤流。
逆挤流
22
(3)湍流 气缸中形成的无规则的小尺度气流运动，也称微 涡流。 湍流可促进燃料与空气的微混合，加速燃烧过程。 (4)滚流 进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的 空气旋流，也称为纵流。

16
柴油喷射后如何在空气运动的作 用下形成混合气？
17
柴油机混合气形成的主要手段，可分为进气涡流和 压缩涡流。 （1）进气涡流 进气过程中形成的绕气缸轴线旋转的有组织的气流 运动。 进气涡流的产生方法一般有四种：导气屏、切向气 道、螺旋气道及组合进气系统。 衡量涡流强度的指标：涡流比Ω，即涡流转速与发 动机转速之比。涡流强度过大，会增大进气阻力，使充 量系数下降。
柴油机的燃烧过程
38
影响着火延迟期长短的主要因素是：
燃烧室内气体状态、柴油自燃性、燃烧室形状 和温度。
喷油时缸内的温度和压力越高，则着火延迟期 越短。 柴油的自燃性越好(十六值较高)，着火延迟期 越短。
39
2. 速燃期(BC段)
从开始着火(即压力偏离压 缩线)到出现最高压力。 压力急剧上升，压力达到 最高(有可能达到13MPa以 上) 燃烧方式：非均质的预混 合燃烧阶段
油膜蒸发混合
5
燃油雾化过程是怎样的？
6
燃油雾化：指燃油喷入燃烧室内后被粉碎分散为细小油 滴的过程。 雾化应具备的必要条件： ——油滴尺寸小（雾化） ——油滴在空气中突进（贯穿力） ——油滴在空间中分布
7
柴油雾化效果对混合气的形成与 燃烧有重要的影响，那又如何来评 价柴油雾化质量呢？
8
油束特性：几何形状和雾化质量。 几何形状——油束射程L和喷雾锥角β或油束的最大宽度B。 贯穿率——指油束的贯穿距离与喷孔口沿喷孔轴线到燃烧 室壁距离的比值。 油束的雾化质量——油束中液滴的细度和均匀度。
31
(2）预燃室燃烧室
以空间雾化混合为主。一般采用轴针式喷油器。
通道不是切向的，压缩时不产 生涡流。连通预燃室与主燃室的孔 道直径较小，由于节流作用产生压 力差，使预燃室内形成紊流运动， 油束大部分射在预燃室的出口处， 只有少部分与空气混合(出口处较浓， 而上部较稀)，上部着火后，产生高 压，已燃的和出口处较浓的混合气 一同高速喷入主燃烧室，在主燃烧 室内产生强烈的燃烧涡流运动，使 大部分燃料在主燃烧室内混合和燃 烧。
柴油机的燃烧过程
44
特点：
（1）喷油过程基本结束，燃烧速率下降(氧气、柴油 浓度减小，废气增多)。具备扩散燃烧特征。 （2）压力开始下降(气缸容积不断增大)，温度达到最 高。最高温度可达2000K左右，一般在上止点后20°— 35°CA处出现。
要求：缓燃期不能过长，否则使等容度降低，放热时间
加长，循环热效率下降。即缓燃期不要缓燃，应越快越 好。加快缓燃期燃烧速度的关键是加快混合气形成速率。
在压缩行程中，气缸内的 空气被活塞推挤，经过通道进 入涡流室，形成强烈地有组织 的压缩涡流 (几百转/分)。柴油 顺涡流方向喷入涡流室中，形 成较浓的混合。 部分混合气在涡流室中着 火燃烧，已燃与未燃的混合气 高速 (经通道)喷入主燃烧室， 借活塞顶部的双涡流凹坑，产 生二次涡流。
30
主要特点：
喷雾质量要求不高(利用强压缩涡流形成混合气，喷油
蓝焰—热量积累较多，链节活化中心较多，出现蓝色火焰。缸内 温度和压力明显升高。经历时间为t3，此时的反应为二级反应。 t1+t2+t3为着火延迟期 热焰—热量和活化中心同时大量积累，反应将激烈进行，在极短 的时间内产生热爆炸，出现桔黄色热火焰，即产生自燃。热火焰 的出现称为三级反应。
35
直径： 5~150um (中间较大)
9
雾化质量：喷散细度和喷散均匀度。 喷散细度——油束中油粒的平均直径（算数平均直径、体积平 均直径、表面积平均直径、总体积和表面积平均直径）。 喷散均匀度——油粒的最大直径与平均直径之差。 雾化特性曲线：
4孔喷孔直径为0.4mm 2孔喷孔直径为0.57mm 单孔喷孔直径为0.8mm
10
油滴直径/μm
柴油机的燃烧过程
40
一般用平均压力升高率 p / [MPa/(°CA)]以及最大 压力升高率（ dp / d ）max表示压力急剧上升的程度， 决定了柴油机运转的平稳性。
p pC pB C B
式中： pB 、 pC分别为B点和C点的压力； B 、 C 分别为B点和 C点所对应的曲轴转角。
Tc-热空气温度 ；
Tw-油滴周围混 合气温度； Cu-油滴周围混 合气浓度； W-化学反应速 度。
单个油滴的着火区域
柴油机的着火燃烧过程是怎样进行 的？各阶段受哪些因素影响？
37
1. 着火延迟期(AB段)
从柴油开始喷入气缸起到
着火开始为止的这一段时期称 为着火延迟期。 着火落后期内，燃烧室内 的混合气进行着物理和化学准 备过程。 物理准备：燃油的粉碎分散、 蒸发汽化和混合； 化学准备：混合气的先期化学 反应直至开始自燃。 特点：压力没有偏离压缩线
几种典型的非回转体类燃烧室
28
球形燃烧室： 以油膜蒸发 混合方式为主。 一般采用 单孔喷嘴，并配有螺旋进气 道以产生强进气涡流。 优点：工作柔和，噪音小； 缺点：起动困难，螺旋形 进气道，结构复杂，制造 困难。
球形燃烧室
29
2. 非直喷式燃烧室
(1)涡流室燃烧室 以空间雾化的混合方式为主。一般采用轴针式喷油器。
浅盆形燃烧室
低的柴油发动机。
1-凹坑 2-喷油器 3-油束
26
（2）半开式燃烧室－深坑型
其活塞顶总有较深的凹坑， 形状有多种，常见的有中心凸 起的ω形和平底的深坑形。
混合气形成依靠燃油的喷散 雾化和空气运动两方面作用， 需要较高的喷射压力和进气涡 流及挤流。
27
（3）其它燃烧室
非回转体燃烧室：在半开式燃烧室的基础上，利用 燃烧室形状的设计来产生微涡流，改善混合气形成和燃 烧。
燃烧放热规律
50
放热规律三要素
燃烧放热始点：使Pzmax出现在上止点后10°—15°CA， 影响动力性，通过喷油提前角及着火落后期（柴油机）或 点火提前角（汽油机）来调控。 放热持续期：不宜过长，否则扩散燃烧与后燃将增加。与 喷油持续期和扩散燃烧期内混合气形成速度及完善程度有 关。 放热规律曲线形状：先缓后急。
18
进气涡流的产生方法
切 向 进 气 道
螺旋进气道
双进气道的不同组合方案
19
涡流
挤流
2.缸内气体运动
滚流
湍流
20
（1）压缩涡流 气体在压缩过程中由主燃烧室经连通道进入涡 流室时形成的强烈涡流。 压缩涡流不会造成进气阻力的增大和充量系数 的下降，但形成压缩涡流时会伴随一定的能量损失， 使循环热效率下降。

14
气缸温度 常温压缩空气中的喷射与气缸内高温空气中的喷射不 同。 空气黏度增加和柴油的表面张力减小，使雾化质量变 好，而油束射程变小。

15
喷油凸轮外形及转速 供油凸轮外形决定了喷油泵柱塞运动的规律，如凸轮 外形较陡或转速加快，使柱塞供油速度力n快。由于喷孔 处的节流作用，高压系统内油压提高，雾化细度提高，射 程增加，锥角扩大。 一旦凸轮外形改变，柱塞对高压系统的供油规律也相 应变化。
23
以上的空气运动是如何在各类燃 烧室中起作用的？
24
柴油机燃烧室
开式燃烧室
直喷式燃烧室
半开式燃烧室 柴油机 涡流室燃烧室 分隔式燃烧室 预燃室燃烧室
25
1. 直喷式燃烧室
（1）开式燃烧室－浅坑型 混合气的形成主要依靠燃 油的喷散雾化，一般不组织
空气涡流运动。希望通过油
束与燃烧室形状的配合，使 燃油尽可能均匀分散到整个 燃烧室空间内。 适用于缸径较大，转速较
47
1. 喷射过程 指从喷油泵开始供 油直至喷油器停止喷油 的过程，整个过程在全 负荷工况下约占15°40°曲轴转角。
可分为三个阶段：
喷射延迟阶段1、主喷射 阶段2、喷射结束阶段3。
柴油机的喷射过程
48
2. 供油规律与喷油规律
供油规律：单位时间由喷油 泵供入高压油路中的燃油量
（供油速率）随时间的变化
第四章 柴油机混合气的形成与燃烧
本章要求：
掌握：柴油机混合气的形 成，柴油机燃烧过程，柴 油机的喷射与雾化。
理解：影响燃烧的因素和 措施。 了解：柴油机燃烧室的分 类、特点以及对燃烧的影 响。
1
与汽油对比，柴油的挥发性差。 柴油机中混合气是如何形成的？
3
柴油机可燃混合气的形成方式
柴油机混合气形成方式从原理上来分，有空间雾化混合 和油膜蒸发混合两种。
关系； 喷油规律：单位时间由喷油
器喷入燃烧室内的燃油量（
喷油速率）随时间的变化关 系。 两者不一致的原因：燃油的可压缩性、压力传播滞后、压力波 动、高压容积变化。
49
wenku.baidu.com
供油规律与喷油规律
燃烧放热规律
指瞬时放热速率和累积
放热百分比随曲轴转角变化 的关系。 瞬时放热速率：在燃烧 过程中的某一时刻，单位时 间内燃烧的燃油所放出的热 量。 累积放热百分比：从燃 烧过程开始至某一时刻为止 已经燃烧的燃油与循环供油 量的比值。
哪些因素会影响到柴油的雾化情 况和油束特性？
11

喷油嘴结构
a)——孔式 b)——轴针式 a) b) 油滴直径/μm
12

喷油压力
喷射压力高，则喷射锥角及射程都增加，油粒直径小，雾化 质量高。当喷射压力高于一定限度时，射程不再增加，大部分 喷射能量消耗在粉碎油滴上。
13
燃烧室压力 燃烧室压力对于喷油压力是反压力。反压力增加，油 束的空气阻力增加，雾化质量有所改善，但油束的射程缩 短。对油束特性的总体影响不明显
32
与汽油机相对应的，柴油机的着 火燃烧理论是？
33
柴油机的着火燃烧理论
柴油机的着火 为压燃式的低 温多级着火
低温多级着火过程
34
柴油机着火过程：
喷油t1+冷焰t2+蓝焰t3→热焰
喷油—进行物理化学准备，温度较高处开始缓慢氧化，压力没有 明显变化。喷油时缸内温度为500~700℃，不能裂解出链反应所 需的自由原子或自由基。经历时间为t1。 冷焰—热量有初步积累但较慢，反应开始加剧，产生醛类和有机 化合物等中间产物。当刚达到临界温度时，出现淡青色火焰，其 热量不多。经历时间为t2，此时的反应为一级反应。
压力可降低) p / 较小，工作柔和，噪音低（副燃室燃烧滞燃 期短，主燃室燃烧活塞已下行） 空气利用率高，α值可较小（1.2~1.3） 高速性能好。（涡流随转速升高而加强） 排污低（最高燃烧温度低） 变工况适应性好，对转速不敏感（转速变化，涡流的 流动特性基本不变） 面容比大，经济性较差，起动性差（传热和流动损失 大，装电热塞）
42
控制压力升高率，就是要减小在着火落后期内 的可燃混合气的量，主要措施有：
①缩短着火延迟期的时间
②减少着火延迟期内喷入的燃油量
③减少可能形成可燃混合气的燃油量
43
3. 缓燃期（CD段）
从最大压力点至最高温度 点的阶段。 缓燃期开始时，气缸内已 形成燃烧产物，但仍有大 量混合气正在燃烧。 燃烧方式：扩散燃烧阶段
45
4. 补燃期（DE段）
从最高温度点起到燃油基 本烧完(放热量达到循环总放 热量的95%-99%)时为止。 特点： 1)燃烧不做功，使热效率下 降； 2)零件热负荷增大，排气温 度升高，传给冷却水热量增 加。 所以补燃应尽量少。
柴油机的燃烧过程
46
由于柴油机的混合气形成特点， 其燃烧过程与供油、喷油规律有何 关系？
1、空间雾化混合 将燃油喷向燃烧室空 间，形成雾状，雾状油滴 从高温空气中吸热蒸发并 扩散，与空气形成混合气。 为了使混合均匀，要求喷 出的燃油与燃烧室形状配 合，并利用燃烧室中空气 的运动与其混合，如图所 示。
空间雾化混合
4
2.油膜蒸发混合 将大部分燃油喷到燃烧 室壁面上，形成一层油膜， 油膜受热汽化蒸发，在燃烧 室中强烈的涡流作用下，燃 油蒸气与空气形成均匀的可 燃混合气，如图所示。这一 混合方式中起主要作用的因 素是燃烧室壁面温度、空气 相对运动速度和油膜厚度。
41
压力升高率大，燃烧迅速，柴油机的经济性和动 力性会较好； 压力升高率过大，则柴油机工作粗暴，燃烧噪音 大；同时运动零件承受较大的冲击负荷，影响其工作 可靠性和使用寿命。 压力升高率应限制在一定的范围之内，柴油机的 压力升高率一般应不大于0.4—0.5[ MPa /(°CA)] 。直 喷柴油机的压力升高率较大。